[PDF] Controlo e Automação Figura 2.53 - Programa em

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UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR

Engenharia

Controlo e Automação

Sistema de rega inteligente

Tiago André Coelho Soares

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Electrotécnica e de Computadores:

Automação e Electrónica

(2º ciclo de estudos) Orientador: Prof. Doutor Sílvio José Pinto Simões Mariano

Covilhã, Junho de 2012

ii iii

Agradecimentos

À minha família e namorada, por todo o apoio e força que me deram; À empresa TecnoSoares, Lda, pela oportunidade de estágio, conhecimento e experiência adquirida ao longo da realização do mesmo; Ao Professor Doutor Sílvio José Pinto Simões Mariano, pelo seu apoio, vasto conhecimento e ajuda ao longo de toda a realização do projecto; À UBI, pelo material disponibilizado e pela oportunidade e hospitalidade com que me recebeu, permitindo que terminasse mais uma fase da minha vida e fornecendo o devido conhecimento e ferramentas para conseguir evoluir futuramente, tanto a nível profissional como pessoal; A todos os meus colegas da UBI e intervenientes que me apoiaram e ajudaram ao longo deste trabalho.

Muito obrigado a todos!

iv v

Prefácio

A presente dissertação de mestrado surgiu no âmbito da disciplina de Dissertação, com o intuito de descrever o trabalho efectuado ao longo do passado ano lectivo. A escolha do tema derivou de um gosto pessoal relativo ao controlo e automação de sistemas recorrendo a Controladores Lógicos Programáveis (Programmable Logic Controllers -

3IF·V e consolas HMI.

O assunto desta dissertação assenta na implementação de um sistema de rega inteligente recorrendo a um PLC. O objectivo é criar um sistema totalmente autónomo e com capacidade para preencher todas as lacunas presentes num sistema manual do mesmo tipo. Este sistema será posteriormente aplicado a um projecto real. vi vii

Resumo

Nesta dissertação consta a apresentação de um sistema que permite o controlo e monitorização de um sistema de abastecimento de água para fins de rega. HQLŃLMOPHQPH ŃRPHoM SRU VHU IHLPM XPM LQPURGXomR MŃHUŃM GRV 3IF·V H M VXM XPLOL]MomR

nas diversas áreas. Segue-se uma descrição dos objectivos, assim como os factores que

levaram à realização deste projecto. Termina-se o capítulo com a apresentação da estrutura

utilizada nesta dissertação.

No capítulo seguinte p MSUHVHQPMGR R ŃRQŃHLPR JHUMO GRV 3IF·VB $LQGM GHQPUR GR

mesmo capítulo, segue-se a evolução histórica ao longo dos anos, a descrição, a explicação

dos GLYHUVRV PLSRV GH 3IF·V H suas partes constituintes. O capítulo termina com a apresentação e análise das diferentes linguagens de programação existentes. No terceiro capítulo é apresentado o conceito geral do sistema. Posteriormente, é apresentado o hardware e software utilizados para a conclusão do projecto. Finaliza-se o capítulo com a apresentação detalhada do sistema e eventuais melhorias futuras do mesmo.

A dissertação termina com comentários e conclusões relativamente à realização deste

projecto e trabalho, assim como a devida bibliografia e anexos referentes ao mesmo.

Palavras-chave

Controlo, monitorização, sistema de abastecimento de água e PLC. viii ix

Abstract

This dissertation contains the presentation of a system that allows the control and monitoring of a water supply system to be used for irrigation. Initially, it begins with an LQPURGXŃPLRQ RI POH 3IF·V MQG POHLU XVH LQ VHYHUMO MUHMVB HP follows a description of goals, as well as the factors that led to this project. The chapter ends with the presentation of the structure used in the dissertation.

7OH QH[P ŃOMSPHU SUHVHQPV POH JHQHUMO ŃRQŃHSP RI 3IF·VB 6PLOO LQ POH VMPH ŃOMSPHU LP

follows the historical evolution over the years, the description and explanation of the various P\SHV RI 3IF·V MQG its parts. The chapter concludes with a presentation and analysis of the various programming languages available. The third chapter presents the general concept of the system. Subsequently, the used hardware and software is presented. The chapter ends with a detailed presentation of the system and possible future improvements of the work. The dissertation concludes with comments and conclusions regarding the implementation of this project and work, as well as the proper bibliography and attachments referring to it.

Keywords

Control, monitoring, water supply system and PLC.

x xi

Índice

1.Capítulo 1 ................................................................................ 1

1.1. Introdução .............................................................................. 1

1.1.1. Contextualização .............................................................................. 5

1.1.2. Objectivos ...................................................................................... 5

1.1.3. Organização da dissertação ................................................................. 6

2.Capítulo 2 ................................................................................ 7

2.1. 3IF·V .................................................................................... 7

2.1.1. O que é e como funciona um PLC? ......................................................... 7

2.1.2. História da automação ....................................................................... 9

2.1.3. Evolução ...................................................................................... 10

2.1.4. Partes constituintes de um PLC........................................................... 12

2.1.4.1. Entradas digitais/discretas........................................................... 12

2.1.4.2. Entradas analógicas ................................................................... 18

2.1.4.3. Saídas digitais/discretas .............................................................. 21

2.1.4.4. Saídas analógicas ...................................................................... 26

2.1.4.5. 3URŃHVVMGRUHV F38·V ................................................................ 27

2.1.4.6. Memória ................................................................................. 29

2.1.4.7. Alimentação ............................................................................ 38

2.1.4.8. Dispositivos de programação ........................................................ 40

2.1.4.9. Interfaces de operação ............................................................... 43

2.1.4.10. Linguagens de programação ......................................................... 44

2.1.4.10.1. NORMA IEC 1131-3 ................................................................. 45

2.1.4.10.2. LINGUAGEM LADDER ............................................................... 46

2.1.4.10.3. LINGUAGEM BOOLEANA ........................................................... 53

2.1.4.10.4. LINGUAGEM GRAFCET ............................................................. 56

2.1.4.10.5. DIAGRAMAS DE BLOCOS DE FUNÇÕES ........................................... 58

2.1.4.10.6. LISTA DE INSTRUÇÕES ............................................................. 59

2.1.4.10.7. TEXTO ESTRUTURADO ............................................................. 60

3.Capítulo 3 ...............................................................................62

3.1. Conceito do sistema ................................................................. 62

3.1.1. Características gerais ....................................................................... 63

3.1.2. Introdução ao Siemens S7-1200 1212C .................................................. 65

3.1.2.1. Módulos e especificações............................................................. 67

3.1.3. Introdução ao software de programação ............................................... 70

3.1.4. Introdução à consola KTP600 Basic Mono PN ........................................... 72

xii

3.1.5. Detalhes do sistema ........................................................................ 73

3.1.5.1. Programa de controlo ................................................................. 75

3.1.5.2. Implementação da base de dados .................................................. 80

3.1.5.3. Programa da consola HMI............................................................. 84

3.1.5.4. Criação da página web ................................................................ 86

3.1.6. Potencialidades do sistema................................................................ 88

3.1.6.1. Comunicação GSM/GPRS ............................................................. 88

3.1.6.2. Monitorização do solo via ZigBee e GPRS .......................................... 90

3.1.6.3. Sincronização do relógio interno via GPS.......................................... 92

3.1.6.4. Sincronização do relógio interno via servidor NTP............................... 93

4.Conclusão ...............................................................................94

4.1. Trabalhos futuros .................................................................... 95

6.Anexos ...................................................................................99

6.1. Anexo I ................................................................................. 99

6.2. Anexo II .............................................................................. 105

xiii xiv

Lista de Figuras

Figura 1.1 - Exemplo de um processo onde é utilizado o PLC ......................................... 1

Figura 1.2 - Outro exemplo da utilização do PLC ........................................................ 1

Figura 1.3 - Trabalho manual ............................................................................... 2

Figura 1.4 - Trabalho automático ........................................................................... 2

Figura 1.5 - Exemplo de uma linha de montagem onde a interacção humana é mínima ......... 2

Figura 1.6 - Fluxo de um sistema de controlo ............................................................ 5

Figura 2.1 - Diagrama da aplicação do PLC a um determinado processo ou máquina ............. 7

Figura 2.2 - Constituição de um PLC ....................................................................... 8

Figura 2.3 - Componentes constituintes da CPU ......................................................... 8

Figura 2.4 - Diagrama de entradas AC/DC ............................................................... 13

Figura 2.5 - Circuito eléctrico de entradas AC/DC ..................................................... 14

Figura 2.6 - Exemplo de uma entrada sinking (a) Exemplo de uma entrada sourcing (b) ...... 15

Figura 2.7 - Ligação de um módulo de entradas isoladas AC/DC .................................... 16

Figura 2.8 - Ligação de um módulo de entradas TTL .................................................. 16

Figura 2.9 - Interface BCD a armazenar dados numa word/registo de memória ................. 17 Figura 2.10 - Diagrama exemplificativo da multiplexagem num módulo de entrada BCD ...... 17

Figura 2.11 - Exemplo de um sinal analógico medido ................................................. 18

Figura 2.12 - Sensores analógicos de humidade (esquerda) e temperatura (direita) ............ 18

Figura 2.13 - Característica ideal de um conversor A/D com resolução de 3 bits................ 19

Figura 2.14 - Exemplos de interfaces de expansão de entradas .................................... 20

Figura 2.15 - Exemplo de um circuito de isolamento óptico de um PLC ........................... 21

Figura 2.16 ² Esquema simples da constituição de um relé .......................................... 21

Figura 2.17 ² Representação de transístores PNP e NPN e respectivas simbologias ............. 22

Figura 2.18 - Representação de um triac (esquerda) e a sua simbologia (direita) ............... 22

Figura 2.19 - Diagrama de entradas AC .................................................................. 23

Figura 2.20 - Circuito típico de saídas AC ............................................................... 24

Figura 2.21 - Circuito típico de saídas DC ............................................................... 24

Figura 2.22 - Diagrama de ligação para uma interface de saídas AC isoladas .................... 25

Figura 2.23 - Informação de 16 bits a ser enviada para um módulo de saída ..................... 25

Figura 2.24 - Representação de um circuito capaz de ajustar uma válvula de volume ......... 26

Figura 2.25 - Conversão de um valor digital num valor analógico .................................. 26

Figura 2.26 - Representação do processo de scan de um PLC ....................................... 28

Figura 2.27 - Exemplo de um sinal de entrada que não será detectado pelo PLC ............... 28

Figura 2.28 - Exemplo de um chip de memória para um PLC ........................................ 30

xv

Figura 2.29 - Exemplo de memórias ROM ................................................................ 30

Figura 2.30 - Exemplo de memória RAM ................................................................. 31

Figura 2.31 - Exemplo de memória PROM ............................................................... 31

Figura 2.32 - Exemplo de memória EPROM .............................................................. 32

Figura 2.33 - Estrutura de uma word de memória ..................................................... 33

Figura 2.34 - Ilustração de um bloco de 4K com armazenamento de 8 bits (a) Ilustração de um bloco de 4K com um armazenamento de 16 bits (b) .............................................. 34

Figura 2.35 - Mapa de memória simplificado ........................................................... 34

Figura 2.36 - Mapa da memória de aplicações.......................................................... 35

Figura 2.37 - Alteração de um bit na tabela de entradas ............................................ 36

Figura 2.38 - Alteração de um bit na tabela de saídas ................................................ 37

Figura 2.39 - Área de armazenamento da tabela de dados .......................................... 38

Figura 2.40 - Ligação de um transformador de tensão constante e um PLC ...................... 40

Figura 2.41 - PC como ponte de interligação entre uma mainframe H XPM UHGH GH 3IF·V .... 42

Figura 2.42 - Exemplo de um terminal portátil de programação .................................... 43

Figura 2.43 - Circuito ladder físico vs circuito ladder no PLC ....................................... 46

Figura 2.44 - Simbologia básica da linguagem ladder ................................................. 47

Figura 2.45 - Estrutura de uma rung ..................................................................... 51

Figura 2.46 - Caminhos de continuidade numa rung .................................................. 51

Figura 2.47 - Lista das funções mais utilizadas no software STEP 7 V11........................... 52

Figura 2.48 - Programa em linguagem booleana e correspondente em ladder ................... 53

Figura 2.49 - Relação da álgebra booleana com as funções AND, OR e NOT ...................... 54

Figura 2.50 - Portas básicas da lógica booleana ........................................................ 54

Figura 2.51 - Combinação das portas lógicas básicas booleanas .................................... 54

Figura 2.52 - Operações lógicas utilizando álgebra de Boole ........................................ 55

Figura 2.53 - Programa em grafcet e conversão para ladder ........................................ 57

Figura 2.54 - Comparação entre linguagem grafcet (a) e linguagem SFC (b) ..................... 58

Figura 2.55 - Exemplo de programa em FBD ............................................................ 58

Figura 2.56 - Bloco de função programado em ladder (a) Bloco Start/Stop em FBD (b)........ 59

Figura 2.57 - Bloco de função em linguagem de lista de instruções ................................ 60

Figura 2.58 - Exemplo de linguagem BASIC ............................................................. 60

Figura 2.59 - Bloco de função criado utilizando linguagem em texto estruturado ............... 61

Figura 3.1 - Esquema do sistema desenvolvido. ........................................................ 64

Figura 3.2 - Constituição básica do S7-1200 ............................................................ 65

Figura 3.3 - Interface Web Server ........................................................................ 66

Figura 3.4 - Visualização e download dos data logs ................................................... 66

xvi Figura 3.5 - Visualização, download e eliminação dos data logs com login de

administrador. ................................................................................................ 67

Figura 3.6 - Tipos de módulos de expansão permitidos ............................................... 69

Figura 3.7 - Janela inicial do STEP 7 V11 ................................................................ 71

Figura 3.8 - Janela de projecto do STEP 7 V11 ......................................................... 71

Figura 3.9 - Facilidade na criação de programas. ...................................................... 71

Figura 3.10 - Constituição da consola HMI............................................................... 72

Figura 3.11 - Módulo de uma saída analógica ........................................................... 75

Figura 3.12 - Atribuição do endereço de IP ao PLC .................................................... 75

Figura 3.13 - Activação de bits do sistema .............................................................. 76

Figura 3.14 - Activação do sistema Web Server ........................................................ 76

Figura 3.15 - Função retain dos blocos de dados. ..................................................... 80

Figura 3.16 - Criação e abertura de um data log ...................................................... 80

Figura 3.17 - Criação do registo diário ................................................................... 81

Figura 3.18 - Fecho do data log mensal ................................................................. 81

Figura 3.19 - Abertura do data log cada vez que o PLC é reiniciado ............................... 82

Figura 3.20 - Atribuição do nome aos data logs ........................................................ 82

Figura 3.21 - Determinação de ano bissexto ............................................................ 82

Figura 3.22 - Exemplo devidamente organizado de um data log do mês de Janeiro ............ 83

Figura 3.23 - Adição da consola HMI ao projecto ...................................................... 84

Figura 3.24 ² Configuração do IP e network da consola ............................................... 85

Figura 3.25 - Configuração da ligação entre PLC e consola HMI ..................................... 85

Figura 3.26 - Interface de edição do programa Notepad++ .......................................... 86

Figura 3.27 - Páginas web criadas ........................................................................ 87

Figura 3.28 - Sistema proposto ............................................................................ 90

Figura 3.29 - Sistema proposto detalhado ............................................................... 91

Figura 3.30 - Sistema proposto para sincronização do relógio interno do PLC.................... 93

Figura 3.31 - Activação da sincronização do relógio interno via servidores NTP ................. 93

xvii xviii

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 - Valores típicos admissíveis nas interfaces de entradas analógicas ................. 19

Tabela 2.2 - Dispositivos de saída ........................................................................ 23

Tabela 2.3 - Tipos de saída ................................................................................ 23

Tabela 2.4 - Tipos de saídas analógicas.................................................................. 27

Tabela 2.5 - Tipos de variáveis de dados: Bit, Byte, Word e Dword ............................... 48

Tabela 2.6 - Tipo de variável de dados: Integer ....................................................... 49

Tabela 2.7 - Tipo de variável de dados: Floating-point real ......................................... 49

Tabela 2.8 - Tipos de variáveis de dados: Time, Data, Time_of_Day e DTL ...................... 49

Tabela 2.9 - Tipos de variáveis de dados: Char e String .............................................. 49

Tabela 2.10 - Instruções booleanas e respectivas instruções em ladder .......................... 55

Tabela 3.1 - Características da CPU 1212C.............................................................. 68

Tabela 3.2 - Módulos de entradas e saídas digitais .................................................... 69

Tabela 3.3 - Módulos de entradas e saídas analógicas ................................................ 69

Tabela 3.4 - Módulos de comunicação ................................................................... 70

Tabela 3.5 - Funcionalidades de algumas redes sem fios existentes ............................... 89 xix xx

Lista de Acrónimos

AC Alternating Current

A/D Analog-to-Digital

BASIC %HJLQQHU·V $OO-purpose Symbolic Instruction Code

BCD Binary Coded Decimal

CPU Central Processing Unit

D/A Digital-to-Analog

DC Direct Current

DTU Data Terminal Unit

EAROM Electrically Alterable Read-Only Memory

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

EMI Electromagnetic Interference

EPROM Erasable Programmable Read-Only Memory

FBD Function Block Diagram

FDMA Frequency-Division Multiple Access

FET Field Effect Transistor

FFD Full Function Device

FIFO First In First Out

GPRS General Packet Radio Service

GPS Global Positioning System

GSM Global System for Mobile Communication

GUI Graphical User Interface

HHP Hand-Held Programmer

HMI Human Machine Interface

HTML HyperText Markup Language

IL Instruction List

I/O Input/Output

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